Fabbricazione personalizzata a basso costo e funzionamento bloccato in modalità di un laser in fibra Femtosecond a dispersione all'innormale per la microscopia multifotone
Summary
Viene presentato un metodo per costruire un laser in fibra femtosecondo a basso costo e a basso costo personalizzato per potenziali applicazioni nella microscopia multifotona, nell’endoscopia e nella fotomedicina. Questo laser è costruito utilizzando parti disponibili in commercio e tecniche di giunzione di base.
Abstract
Viene presentato un protocollo per costruire un laser a fibra di femtosecondo (fs) a basso costo ma ad alte prestazioni. Questo laser a fibra dopata a dispersione completamente normale (ANDi) è costruito completamente utilizzando parti disponibili in commercio, tra cui 8.000 dollari in componenti in fibra ottica e laser a pompa, più 4.800 dollari in componenti ottici standard e accessori extra-cavity. I ricercatori nuovi per la fabbricazione di dispositivi in fibra ottica possono anche considerare l’investimento in attrezzature di base per lo splicing in fibra e l’impulso laser (63.000 usd). Importante per un funzionamento laser ottimale, vengono presentati metodi per verificare le prestazioni vere rispetto a quelle apparenti (parziali o simili al rumore) bloccate in modalità. Questo sistema raggiunge la durata dell’impulso di 70 fs con una lunghezza d’onda centrale di circa 1.070 nm e una velocità di ripetizione dell’impulso di 31 MHz. Questo laser a fibra presenta le massime prestazioni che possono essere ottenute per un sistema laser a fibra facilmente assemblabile, che rende questo progetto ideale per laboratori di ricerca che mirano a sviluppare tecnologie laser fs compatte e portatili che consentono nuove implementazioni di microscopia multifotone clinica e chirurgia fs.
Introduction
I laser a impulsi femtosecondi (fs) a stato solido sono ampiamente utilizzati per la microscopia e la ricerca biologica. Un esempio tipico è l’uso della microscopia a fluorescenza multifotona (MPE), dove si desidera che l’alta potenza di picco e la bassa potenza media facilitino il processo MPE riducendo al minimo i meccanismi di fotodanno. Molti laser a stato solido ad alte prestazioni sono disponibili in commercio, e quando combinati con un oscillatore parametrico ottico (OPO), la lunghezza d’onda laser può essere sintonizzata su una vasta gamma1. Ad esempio, i sistemi oscillatore-OPO commerciali generano durate degli impulsi 1 W potenza media da 680 a 1.300 nm. Tuttavia, il costo di questi sistemi laser commerciali regolabili fs è significativo (>200.000) e i sistemi a stato solido generalmente richiedono il raffreddamento dell’acqua e non sono portabili per applicazioni cliniche.
La tecnologia laser a fibra pulsata Ultrashort è maturata negli ultimi anni. Il costo di un laser a fibra pulsata fs commerciale è in genere significativamente inferiore rispetto ai laser a stato solido, anche se senza la capacità di un’ampia messa a punto della lunghezza d’onda offerta dai sistemi a stato solido di cui sopra. Si noti che i laser a fibra possono essere accoppiati con OPP quando lo si desidera (cioè sistemi ibridi in fibra-stato solido). L’ampio rapporto superficie-volume dei sistemi laser in fibra consente un raffreddamento ad aria efficiente2. Quindi, i laser a fibra sono più portatili dei sistemi a stato solido a causa delle loro dimensioni relativamente piccole e del sistema di raffreddamento semplificato. Inoltre, la giunzione a fusione dei componenti in fibra riduce la complessità del sistema e la deriva meccanica in contrasto con l’allineamento dello spazio libero dei componenti ottici che costituiscono dispositivi a stato solido. Tutte queste caratteristiche rendono i laser a fibra ideali per applicazioni cliniche. Infatti, i laser a tutta fibra sono stati sviluppati per le operazioni a bassa manutenzione3,4,5e laser in fibra di gestione della polarizzazione (PM) sono stabili a fattori ambientali tra cui variazioni di temperatura e umidità, nonché vibrazioni meccaniche2,6,7,8.
Qui, viene presentato un metodo per costruire un laser in fibra ANDi pulsato fs a basso costo con parti disponibili in commercio e tecniche standard di giunzione in fibra. Vengono inoltre presentati metodi per caratterizzare la frequenza di ripetizione dell’impulso, la durata e la coerenza (blocco completo della modalità). Il laser a fibra risultante genera impulsi bloccati in modalità che possono essere compressi a 70 fs con una velocità di ripetizione di 31 MHz e una lunghezza d’onda centrata a 1.060 a 1.070 nm. L’uscita di potenza massima dalla cavità laser è di circa 1 W. La fisica dell’impulso dei laser a fibra ANDi utilizza elegantemente l’evoluzione della polarizzazione non lineare intrinseca alla fibra ottica come componente chiave dell’assorbitore saturabile2,3,9,10,11. Tuttavia, questo significa che il design ANDi non è facilmente implementato utilizzando fibra PM (anche se è stata segnalata un’implementazione in fibra all-PM di blocco della modalità ANDi, anche se a bassa potenza e durata dell’impulso ps12). Pertanto, la stabilità ambientale richiede un’ingegneria significativa. I progetti laser in fibra di nuova generazione, come l’oscillatore Mamyshev, hanno il potenziale per offrire una stabilità ambientale completa come dispositivi in fibra all-PM in grado di aumentare l’ordine di grandezza dell’energia dell’impulso intracavity, oltre ad offrire riduzioni significative della durata dell’impulso per consentire alle applicazioni che si basano su ampi spettri a impulsi13,14. La fabbricazione personalizzata di questi innovativi nuovi progetti laser in fibra fs richiede know-how e esperienza di giunzione in fibra.
Protocol
Representative Results
Discussion
I protocolli qui descritti sintetizzano il know-how e le competenze che sono state una pratica comune nel laboratorio di fisica laser per decenni, ma che spesso non è familiare a molti ricercatori biomedici. Questo lavoro cerca di rendere questa tecnologia laser a fibra ultraveloce più accessibile alla comunità più ampia. Il design laser in fibra ANDi è ben consolidato, come sviluppato per la prima volta in opere seminali da Wise e colleghi3. Tuttavia, le implementazioni di questa tecnologia …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo i dottori E. Cronin-Furman e M. Weitzman (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) per l’assistenza nell’acquisizione di immagini. Questo lavoro è stato sostenuto da National Institutes of Health Grant K22CA181611 (a B.Q.S.) e dalla Richard and Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Smith Family Award for Excellence in Biomedical Research (a B.Q.S.).
Materials
| Adapters, mirrors, posts, mounts, and translational stage (optomechanics) | Thorlabs | TR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x) | Standard optical components |
| Advanced optical fiber cleaver | AFL | CT-100 | |
| Autocorrelator | Femtochrome | FR-103XL/IR/FA/CDA | |
| Beamsplitter mount | Thorlabs | BSH1/M | |
| Factory fusion splicer | AFL | FSM-100P | |
| Fiber collimators | OZ Optics (Canada) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 3x |
| Fiber-coupled,high-speed photodiode detector | Thorlabs | DET08CFC | |
| Free-space isolator | Thorlabs | IO-5-1050-HP | |
| Free-space isolator | Thorlabs | IO-3D-1050-VLP | |
| Half waveplate | Union Optics (China) | WPZ2312 | 2x |
| High power multimode fiber pump module | Gauss Lasers (China) | Pump-MM-976-10 | |
| High power pump and signal combiner | ITF Technology (Canada) | MMC02112DF1 | |
| Index matching gel | Thorlabs | G608N3 | |
| Optical spectrum analyzer | Keysight | Agilent 70951B | |
| Oscilloscope | Keysight | Agilent 54845A | |
| Passive double clad fiber(5/130 μm) | ITF Technology (Canada) | MMC02112DF1 | 3m, Included with combiner |
| Polarizing beamsplitter | Thorlabs | PBS253 | |
| Quarter waveplates | Union Optics (China) | WPZ4312 | 2x |
| Quartz birefringent filter plate | Newlight (Canada) | BIR1060 | |
| RF spectrum analyzer | Tektronix | RSA306B | |
| Single mode fiber (6/125 μm) | OZ Optics (Canada) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 1m, Included with collimators |
| Single mode fiber coupler | AFW (Australia) | FOSC-2-64-30-L-1-H64-2 | |
| Transmission diffraction grating 1 | LightSmyth | T-1000-1040-3212-94 | For compressor |
| Transmission diffraction grating 2 | LightSmyth | T-1000-1040-60×12.3-94 | For compressor |
| Waveplate rotation mount | Thorlabs | RSP1/M | 4x |
| Ytterbium-doped single mode double clad fiber | Thorlabs | YB1200-6/125DC | 3m |
References
- Savage, N. Optical parametric oscillators. Nature Photonics. 4, 124 (2010).
- Xu, C., Wise, F. Recent advances in fibre lasers for nonlinear microscopy. Nature Photonics. 7, 875 (2013).
- Kieu, K., Wise, F. All-fiber normal-dispersion femtosecond laser. Optics Express. 16, 11453-11458 (2008).
- Fekete, J., Cserteg, A., Szipőocs, R. All-fiber all-normal dispersion ytterbium ring oscillator. Laser Physics Letters. 6, 49-53 (2009).
- Krolopp, &. #. 1. 9. 3. ;., et al. Handheld nonlinear microscope system comprising a 2 MHz repetition rate, mode-locked Yb-fiber laser for in vivo biomedical imaging. Biomedical Optics Express. 7, 3531-3542 (2016).
- Fermann, M. E., Hartl, I. Ultrafast fibre lasers. Nature Photonics. 7, 868-874 (2013).
- Szczepanek, J., Kardaś, T. M., Michalska, M., Radzewicz, C., Stepanenko, Y. Simple all-PM-fiber laser mode-locked with a nonlinear loop mirror. Optics Letters. 40, 3500-3503 (2015).
- Bowen, P., Singh, H., Runge, A., Provo, R., Broderick, N. G. Mode-locked femtosecond all-normal all-PM Yb-doped fiber laser at 1060 nm. Optics Communications. 364, 181-184 (2016).
- Chong, A., Buckley, J., Renninger, W., Wise, F. All-normal-dispersion femtosecond fiber laser. Optics Express. 14, 10095-10100 (2006).
- Kieu, K., Renninger, W., Chong, A., Wise, F. Sub-100 fs pulses at watt-level powers from a dissipative-soliton fiber laser. Optics Letters. 34, 593-595 (2009).
- Wise, F. W. Femtosecond Fiber Lasers Based on Dissipative Processes for Nonlinear Microscopy. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 18, 1412-1421 (2012).
- Nielsen, C. K., Keiding, S. R. All-fiber mode-locked fiber laser. Optics Letters. 32, 1474 (2007).
- Liu, Z., Ziegler, Z. M., Wright, L. G., Wise, F. W. Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator. Optica. 4, 649-654 (2017).
- Sidorenko, P., Fu, W., Wright, L. G., Olivier, M., Wise, F. W. Self-seeded, multi-megawatt, Mamyshev oscillator. Optics Letters. 43, 2672-2675 (2018).
- Li, X., et al. High-power ultrafast Yb:fiber laser frequency combs using commercially available components and basic fiber tools. Review of Scientific Instruments. 87, 093114 (2016).
- Bale, B., Kieu, K., Kutz, J., Wise, F. Transition dynamics for multi-pulsing in mode-locked lasers. Optics Express. 17, 23137-23146 (2009).
- Davoudzadeh, N., Ducourthial, G., Spring, B. Q. Custom fabrication and mode-locked operation of a femtosecond fiber laser for multiphoton microscopy. Scientific Reports. 9, 4233 (2019).
- Renninger, W., Chong, A., Wise, F. W. Area theorem and energy quantization for dissipative optical solitons. Journal of the Optical Society of America. 27, 1978-1982 (2010).
